Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Ochrona przewodów od skutków zwarć w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia

Wire protection from short-circuit effects in low voltage electrical installations
W artykule omówiono zjawiska nagrzewania przewodów podczas przepływu prądów zwarciowych, przedstawiono urządzenia zabezpieczające od skutków zwarć oraz wskazano jak obliczać wartości prądów zwarciowych i dobierać przekroje przewodów.
W artykule omówiono zjawiska nagrzewania przewodów podczas przepływu prądów zwarciowych, przedstawiono urządzenia zabezpieczające od skutków zwarć oraz wskazano jak obliczać wartości prądów zwarciowych i dobierać przekroje przewodów.
Rys. redakcja EI

Prawidłowo zaprojektowana instalacja elektroenergetyczna powinna charakteryzować się niezawodną pracą podczas przepływu prądów roboczych oraz odpornością na skutki przepływu prądów zwarciowych. Przepływ prądu zwarciowego prowadzi do znacznego zwiększania się wydzielania ciepła na rezystancji żył przewodów i kabli oraz do pojawienia się sił elektrodynamicznych o znacznej wartości. W instalacjach elektroenergetycznych niskiego napięcia w budynkach pomija się oddziaływania elektrodynamiczne. Istotne dla funkcjonowania instalacji są natomiast skutki cieplne.

W artykule:

• Nagrzewanie przewodów podczas przepływu prądów zwarciowych
• Aparaty zabezpieczające od skutków zwarć
• Obliczanie wartości prądów zwarciowych
• Dobór przekroju przewodów
• Analiza hipotetycznego przypadku doboru przewodu

Nagrzewanie się przewodów podczas przepływu prądu zwarciowego najczęściej jest krótkotrwałe i uzależnione od czasu zadziałania aparatu zabezpieczającego. Dla obwodów odbiorczych instalacji niskiego napięcia zabezpieczonych wyłącznikami nadprądowymi czas ten jest nie dłuższy niż 100 ms, przeważnie jednak zawiera się w granicach od 5 do 15 ms [1]. Przy takim czasie przepływu prądu zwarciowego przyjmuje się, że nie zachodzi oddawanie ciepła do otoczenia (nagrzewanie adiabatyczne), cała energia wydzielona na rezystancji żył prowadzi do wzrostu temperatury przewodu.

Nagrzewanie przewodów podczas przepływu prądów zwarciowych

Na rys. 1. przedstawiono przebieg nagrzewania się przewodu w czasie zwarcia. Przyjmuje się, że bezpośrednio przed wystąpieniem zwarcia przewody nagrzane są do temperatury roboczej ϑ (dopuszczalnej długotrwale). Czas trwania zwarcia tk w instalacjach odbiorczych jest nie dłuższy niż kilkanaście milisekund, a w obwodach rozdzielczych rzędu dziesiątej części sekundy.

Rys. 1. Krzywa nagrzewania przewodu podczas przepływu prądu zwarciowego [11]
Rys. 1. Krzywa nagrzewania przewodu podczas przepływu prądu zwarciowego [źródło: Markiewicz H., Urządzenia elektroenergetyczne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2006]

Przyjmuje się, że podczas zwarcia nie następuje oddawanie ciepła do otoczenia, cała energia cieplna wytworzona w przewodzie przeznaczana jest na jego nagrzewanie. Z tego powodu następuje znaczny wzrost temperatury przewodu, aż do poziomu ϑk.

Następnie, po zadziałaniu aparatu zabezpieczającego, następuje studzenie przewodu, aż do temperatury otoczenia ϑo. Najważniejszym kryterium dla poprawnej i długotrwałej eksploatacji instalacji elektrycznej jest, aby nigdy nie nastąpiło przekroczenie temperatury dopuszczalnej podczas zwarcia ϑdk. Przekroczenie tej temperatury może spowodować trwałe uszkodzenie izolacji przewodu, a co za tym idzie, konieczność wymiany części instalacji.

Na podstawie analizy wykresu nagrzewania można również zauważyć, że załączenie ponowne obwodu, w którym nastąpił przepływ prądu zwarciowego, tuż po tym zwarciu, może prowadzić do przekroczenia temperatury ϑdk. Wynikać to będzie z tego, że aktualna temperatura przewodu będzie wyższa niż temperatura robocza.

Aparaty zabezpieczające od skutków zwarć

W instalacjach elektrycznych niskiego napięcia do zabezpieczenia od skutków zwarć i przeciążeń stosuje się wyłączniki nadmiarowo-prądowe oraz bezpieczniki topikowe.

Zgodnie z wymaganiami rozporządzenia [2] w obwodach odbiorczych należy stosować wyłączniki nadprądowe. Bezpieczniki można stosować tylko w obwodach rozdzielczych.

Główne elementy składowe nadprądowych wyłączników instalacyjnych przedstawione zostały na rys. 2.

Rys. 2. Schemat elektryczny (a) i budowa (b) wyłącznika nadprądowego firmy LEGRAND, gdzie: 1 – dźwignia napędu, 2 – zamek, 3 – styk stały, 4 – styk ruchomy, 5 – zaciski przyłączeniowe, 6 – wyzwalacz termobimetalowy (przeciążeniowy), 7 – zatrzask umożliwiający montaż na wspornikach (szynach) montażowych TH 35, 8 – wyzwalacz elektromagnetyczny (zwarciowy), 9 – komora gaszeniowa, 10 – wyzwalacz cieplny, 11 – obudowa, 12 – cewka podnapięciowa [3]
Rys. 2. Schemat elektryczny (a) i budowa (b) wyłącznika nadprądowego firmy LEGRAND, gdzie: 1 – dźwignia napędu, 2 – zamek, 3 – styk stały, 4 – styk ruchomy, 5 – zaciski przyłączeniowe, 6 – wyzwalacz termobimetalowy (przeciążeniowy), 7 – zatrzask umożliwiający montaż na wspornikach (szynach) montażowych TH 35, 8 – wyzwalacz elektromagnetyczny (zwarciowy), 9 – komora gaszeniowa, 10 – wyzwalacz cieplny, 11 – obudowa, 12 – cewka podnapięciowa [źródło: Markiewicz H., Instalacje elektryczne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2008.]

Ze względu na ochronę od skutków zwarć należy rozpatrzyć pracę następujących elementów: wyzwalacza elektromagnetycznego, styku stałego oraz ruchomego, a także komory gaszeniowej.

Kiedy wartość chwilowa prądu zwarciowego przekroczy nastawiany pułap, dla danego rodzaju zabezpieczenia, spowoduje to zadziałanie wyzwalacza elektromagnetycznego, który zadziała na zamek. Rozpocznie się otwieranie styków i zapali się łuk elektryczny między nimi. Łuk ten będzie przesuwał się w stronę komory gaszeniowej, gdzie zostanie podzielony na łuki krótkie. Spowoduje to wzrost spadku napięcia na nim oraz wzrost odbierania energii cieplnej z kolumny łukowej.

Przy naturalnym przejściu prądu przez zero nastąpi pełne wyłączenie uszkodzonego obwodu i przerwanie przepływu prądu zwarciowego.

Rys. 3. Charakterystyki pasmowe wyłączników instalacyjnych B, C i D (k – krotność prądu znamionowego) [4]
Rys. 3. Charakterystyki pasmowe wyłączników instalacyjnych B, C i D (k – krotność prądu znamionowego) [źródło: Lejdy B., Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005.]

Czas wyłączania zawiera się w granicach od 5 do 15 ms i jest uzależniony od fazy załączenia prądu zwarciowego [1]. Nie występuje różnica w czasie wyłączania zwarcia w zależności od charakterystyki czasowo-prądowej wyłącznika nadprądowego.

Zgodnie z charakterystykami wyłączników (rys. 3.), po przekroczeniu określonej wartości prądu następuje zadziałanie bezzwłoczne aparatu.

Całka Joule’a I2t jest miarą ilości ciepła (I2·R·t) przepływającego przez zabezpieczenie i przez wszystkie elementy zabezpieczanego obwodu w określonym czasie, np. w czasie przedłukowym (I2·tp) i w czasie wyłączania (I2·tw).

W odniesieniu do wyłączników instalacyjnych spotykanym określeniem jest również energia przenoszona (ang. let-through energy). Jej wartość jest uzależniona między innymi od prądu roboczego zabezpieczenia oraz jego charakterystyki czasowo-prądowej.

Przykładowe krzywe dla wybranych wyłączników instalacyjnych przedstawiono na rys. 4. Można zauważyć, że wraz ze wzrostem wartości spodziewanego prądu zwarciowego wartość energii przenoszonej wzrasta.

Rys. 4. Charakterystyki energii przenoszonej (całki Joule'a) dla wyłączników B i C, ABB [5]
Rys. 4. Charakterystyki energii przenoszonej (całki Joule'a) dla wyłączników B i C, ABB [źródło: http://new.abb.com/pl]

Kolejnym aparatem zabezpieczającym obwody od skutków zwarć jest bezpiecznik topikowy. Wyłączanie prądów zwarciowych przedstawia się w sposób następujący. Topik rozpada się po przepuszczeniu ściśle określonej wartości I2·t, zależnej od przekroju topika Sz w miejscach zwarciowych, tzn. w przewężeniach, tam, gdzie jest on najmniejszy:

  (1)

przy czym K jest stałą materiałową (stałą Meyera) przewężeń topika w przybliżeniu równą iloczynowi temperatury topnienia, ciepła właściwego (odniesionego do jednostki objętości) i konduktywności elektrycznej.

Przekrój topika w miejscach przewężeń Sz jest miarą całki Joule’a przedłukowej i charakteryzuje zdolność ograniczania prądu zwarciowego przez bezpiecznik [6].

Obliczanie wartości prądów zwarciowych

Wyznaczanie wartości wielkości prądów zwarciowych może być realizowane zgodnie z normą PN-EN 60909-0 [9]. Oznacza to wykonywanie obliczeń z wykorzystaniem składowych symetrycznych.

Norma ta nie narzuca jednak takiego wymogu, więc obliczenia zwarciowe mogą być wykonywane także w tzw. sposób uproszczony (bliższy sposobowi przedstawionemu w nieobowiązującej normie PN-90/E-05025).

Obliczanie prądów zwarciowych dla instalacji elektroenergetycznych niskiego napięcia będzie się różnić, w pewnych aspektach, od obliczeń dla sieci rozdzielczych i dystrybucyjnych.

W instalacjach niskiego napięcia najczęściej będzie występowało pojedyncze źródło zasilania w postaci systemu elektroenergetycznego.

Nawet jeżeli w obiekcie zainstalowane są dodatkowe generatory przeznaczone do zasilania awaryjnego instalacji, to nie będą one uwzględniane w obliczeniach mających na celu wyznaczenie maksymalnej wartości prądu zwarciowego. Będą miały natomiast olbrzymie znaczenie przy obliczaniu minimalnego prądu zwarciowego w celu zapewnienia ochrony przeciwporażeniowej.

Kolejnym elementem istotnie wyróżniającym obliczenia w instalacjach niskiego napięcia jest konieczność uwzględniania rezystancji przewodów, kabli oraz aparatów zabezpieczających.

Rys. 5. Schemat zastępczy obwodu zwarciowego w instalacji elektrycznej niskiego napięcia, gdzie: S – system elektroenergetyczny, Tr – transformator, WLZ – wewnętrzna linia zasilająca, L – instalacja odbiorcza, XSK – reaktancja systemu elektroenergetycznego, RSK – rezystancja systemu elektroenergetycznego, XTr – reaktancja transformatora, RTr – rezystancja transformatora, XWLZ – reaktancja przewodu fazowego wewnętrznej linii zasilającej, RWLZ – rezystancja przewodu fazowego wewnętrznej linii zasilającej, XL – reaktancja przewodu fazowego instalacji odbiorczej, RL – rezystancja przewodu fazowego instalacji odbiorczej; rys. archiwum autora (A. Książkiewicz)
Rys. 5. Schemat zastępczy obwodu zwarciowego w instalacji elektrycznej niskiego napięcia, gdzie: S – system elektroenergetyczny, Tr – transformator, WLZ – wewnętrzna linia zasilająca, L – instalacja odbiorcza, XSK – reaktancja systemu elektroenergetycznego, RSK – rezystancja systemu elektroenergetycznego, XTr – reaktancja transformatora, RTr – rezystancja transformatora, XWLZ – reaktancja przewodu fazowego wewnętrznej linii zasilającej, RWLZ – rezystancja przewodu fazowego wewnętrznej linii zasilającej, XL – reaktancja przewodu fazowego instalacji odbiorczej, RL – rezystancja przewodu fazowego instalacji odbiorczej; rys. archiwum autora (A. Książkiewicz)

Dla obwodów odbiorczych wykonanych przewodami o małych przekrojach żył ich rezystancja jest wielokrotnie większa niż reaktancja indukcyjna.

Podstawową wielkością charakteryzującą prąd zwarciowy jest jego spodziewana wartość skuteczna (wzór 2).

  (2)

Wielkość ta charakteryzuje wartość prądu zwarciowego po zaniknięciu zjawisk przejściowych. Ze względu na znaczny udział rezystancji w wypadkowej impedancji pętli zwarcia ZK zjawiska te najczęściej można pominąć. Z tego samego powodu przyjmuje się, że wartość prądu zwarciowego zastępczego cieplnego Ith jest równa wartości Ik’’.

Twierdzenie to uznaje się za prawdziwe, kiedy czas trwania zwarcia Tk jest ponad dziesięciokrotnie dłuższy niż stała czasowa obwodu T (wzór 3) [10].

  (3)

Przykładowy schemat zastępczy możliwy do zastosowania w obliczeniach przedstawiono na rys. 5.

Układ składa się z następujących elementów:

  • systemu elektroenergetycznego zasilającego instalację,
  • transformatora elektroenergetycznego SN/nn,
  • wewnętrznej linii zasilającej
  • oraz obwodu, na którego końcu wystąpiło zwarcie.

Czytaj też: Problematyka strat mocy i energii w transformatorach rozdzielczych SN/nn >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 12/2017

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Nowy wspornik do mocowania przewodów ochrony odgromowej?

Wspornik odgromowy W obudowie wykonanej z wysokiej jakości polietylenu kryje się betonowy rdzeń. Szczelnie zamknięta konstrukcja chroni go przed niekorzystnym wpływem czynników pogodowych i erozją(...) czytam dalej »


Elektryku, sprawdź, co zyskasz dołączając do Programu »

Badania kabli wysokiego napięcia - zobacz video »

Punkty same trafiają na Twoje konto, a Ty wygrywasz nagrody i uzyskujesz dostęp do wartościowych szkoleń. czytam dalej » Wiele firm zajmujących się budową linii kablowych nie posiada sprzętu do wykonania badań odbiorczych i badań po-naprawczych. Powód jest prosty...(...) czytam dalej »

Szynoprzewody - zalety i opłacalność ich stosowania »
Szynoprzewody zalety i wady

System prawny w prawodawstwie polskim porządkuje ważność aktów prawnych w następujący sposób: konstytucja, ratyfikowane umowy... czytam dalej »


Jak sprawdzić gdzie mogą nastąpić awarie w urządzeniach elektrycznych»

Zintegrowane usługi materiałowe dla instalatorów »

Diagnozowanie urządzeń elektrycznych Produkty dla elektryków
Wykrycie elementu przegrzanego i prawidłowa klasyfikacja zagrożenia w zależności od obciążenia prądowego i przyrostu temperatury – to typowe zadania ... czytam dalej » Usługi materiałowe dla instalatorów  - poznaj zalety tego rozwiązania, zawsze masz dostęp do najnowszych jakościowo produktów i materiałów, możesz proponować swoim klientom konkurencyjne ceny, (...) czytam dalej »

Darmowy ebook “Sterowniki PLC, enkodery, pulpity sterownicze”»
ebook Sterowniki PLC i enkodery

Każdy nowo powstały obiekt nie może istnieć bez punktów rozdzielczych, które w związku z rozwojem (...) czytam dalej »


Sondy pomiarowe - jakie wybrać?

Prąd budowlany, czyli skąd czerpać energię elektryczną na czas budowy domu»

Sondy pomiarowe Staubli Prąd budowlany - skąd czerpać?
Na jakie parametry zwrócić uwagę i jak dokonywać pomiaru... czytam dalej » W trakcie budowy domu lub innej inwestycji wiele prac nie da się wykonać bez dostępu do energii elektrycznej (...) czytam dalej »
Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
7-8/2018

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 7-8/2018
W miesięczniku m.in.:
  • - Zasilacze UPS w układach zasilania urządzeń elektromedycznych
  • - Oszczędność kosztów dla przedsiębiorstwa przemysłowego na podstawie analizy faktur zakupowych za media energetyczne
Zobacz szczegóły
.steute Polska .steute Polska
steute jest międzynarodowym przedsiębiorstwem specjalizującym się w projektowaniu oraz produkcji bezpiecznej, niezawodnej aparatury...
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl